روزهای طولانیتر؛ زمینه‌ساز احتمالی حیات پیچیده روی زمین
امروزه اکسیژن از بخش عمده‌ی حیات روی زمین پشتیبانی می‌کند؛ اما همیشه این‌طور نبوده است. سه میلیارد سال پیش، این گاز در اتمسفر و اقیانوس‌ها کمیاب بود. پی بردن به این موضوع که چرا اکسیژن فراوان شد، می‌تواند روند تکامل موجودات زنده روی زمین را آشکار کند؛ اما دانشمندان نمی‌توانستند توضیحی ارائه بدهند که برای همه قانع‌کننده باشد.
گروهی از پژوهشگران ارتباط جدیدی بین سرعت چرخش زمین دور محور خود که طول یک روز را مشخص می‌کند و تولید اکسیژن بیشتر پیشنهاد کرده‌اند. به گزارش ساینس، مدل‌سازی آن‌ها از روزهای اولیه‌ی زمین که شامل شواهدی از بسترهای میکروبی است که کف گودالی کم‌عمق و نورگیر در دریاچه هیوران در آمریکای شمالی را می‌پوشاند، نتیجه‌ی شگفت‌آوری حاصل کرد: با کند شدن سرعت چرخش زمین، روزهای طولانیتر حاصل از این رویداد می‌توانسته است موجب افزایش فتوسنتز بسترهای مشابه شود و به اکسیژن اجازه بدهد در دریاهای باستانی جمع و سپس به اتمسفر وارد شود.
این پیشنهاد که به‌تازگی در مجله‌ی Nature Geoscience شرح داده شده، برخی دانشمندان را مجذوب کرده است. وودوارد فیشر، متخصص زیست‌شناسی زمین در مؤسسه فناوری کالیفرنیا که در مطالعه مشارکتی نداشت، می‌گوید: «افزایش اکسیژن روی زمین مهم‌ترین تغییر محیطی در تاریخ سیاره‌ی ما است. این مطالعه، ایده‌ی کاملاً جدیدی ارائه می‌دهد و به ارتباطی اشاره می‌کند که قبلاً نشان داده نشده بود.»
غواصان نمونه‌هایی از تشک‌های میکروبی رنگارنگ جمع‌آوری کردند تا نقش آن‌ها در اکسیژن‌رسانی به زمین مورد مطالعه قرار بگیرد.
زمین هنگام آغاز حیات (حدود ۴ میلیارد سال پیش) بسیار متفاوت بود و دریاهای کم‌عمق وسیعی داشت که همه‌ی موجودات زنده آن تک‌سلولی بودند. بسیاری از میکروب‌های اولیه از نوع سیانوباکترها بودند که می‌توانند روی سطح سنگ‌ها و رسوبات تشک‌هایی ایجاد کنند و امروزه گاهی موجب رشد بی‌رویه‌ی جلبک‌ها می‌شوند که برای ماهی‌ها و آبزیان دیگر مرگ‌بار است. میکروب‌هایی که به سیانوباکتر تبدیل شدند، ماشین‌آلات سلولی مورد نیاز برای فتوسنتز را تکامل دادند که به آن‌ها اجازه داد کربن دی‌اکسید و آب را به قند و اکسیژن تبدیل کنند.
پژوهشگران مدت‌ها تصور می‌کردند این میکروب‌ها اکسیژن اولیه زمین را تأمین کردند و طی دوران بسیار طولانی، محیطی ایجاد کردند که از تکامل حیات هوازی به تمام شکل‌های آن حمایت کرد. البته آن‌ها همیشه دراینباره سردرگم بودند که چرا بین اولین میکروب‌های فتوسنتزکننده که فسیل‌ها نشان می‌دهند حدود ۳٫۵ میلیارد سال پیش ظاهر شدند و اولین شواهد زمین‌شناسی خوب برای تجمع اکسیژن، یک میلیارد سال فاصله وجود دارد.
پژوهشگران به کمک مدل‌سازی فاصله‌ی ماه تا زمین و جزرومدهای اقیانوسی و جوی، می‌دانستند زمین اولیه نسبت به امروز بسیار سریع‌تر دور محور خود در گردش بوده است. بسیاری از پژوهشگران دراینباره توافق دارند که ۴٫۵ میلیارد سال پیش، طول روز فقط ۶ ساعت بود؛ اما طبق پیش‌بینی مدل‌ها، حدود ۲٫۴ میلیارد سال پیش کشش ماه سرعت چرخش زمین را کند کرد و طول روز به حدود ۲۱ ساعت رسید. سرعت چرخش زمین حدود یک میلیارد سال ثابت ماند؛ زیرا نیروی گرانش آن با نیروی کشش ماه مقابله می‌کرد. این نیروها حدود ۷۰۰ میلیون سال پیش از تعادل خارج شدند؛ زیرا چرخه رزونانس میان زمین و ماه کاملاً پایدار نیست. در ادامه چرخش زمین به اندازه سرعت فعلی کند شد و طبق مدل‌ها، روزهای ۲۴ ساعته ایجاد کرد.
در سال ۲۰۱۶، جودیت کلات، متخصص زیست‌زمین‌شیمی که در مؤسسه میکروب‌شناسی دریایی ماکس پلانک مشغول به کار است، متوجه شد کاهش سرعت چرخش زمین با جهش‌های بزرگی در اکسیژن اتمسفری مقارن است. برای مثال، اکسیژن ابتدا در جریان دوره‌ای که رویداد بزرگ اکسیژنی نامیده می‌شود، حدود ۲٫۴ میلیارد سال پیش و سپس دوباره طی دوره پیشین‌زیستی نو (بیش از یک میلیارد سال بعد) دوباره افزایش پیدا کرد. در دوران دیرینه‌زیستی (پالئوزوئیک - حدود ۴۰۰ میلیون سال پیش) آخرین افزایش قابل توجه در اکسیژن اتمسفری رخ داد.
کلات در آن زمان در دانشگاه میشیگان به مطالعه‌ی بسترهای میکروبی که روی رسوبات گودال میدل آیلند دریاچه هیوران رشد می‌کردند، مشغول بود. در آنجا آب به اندازه‌ای کم‌عمق است که سیانوباکترها می‌توانند برای انجام فتوسنتز نور خورشید را دریافت کنند. آب تهی از اکسیژن و گاز گوگردی که از کف دریاچه بیرون می‌زند، شرایط بی‌اکسیژنی را به وجود می‌آورد که تقریباً شبیه شرایط زمین اولیه است.
غواصان نمونه‌هایی از تشک‌های میکروبی را جمع‌آوری کردند و کلات در آزمایشگاه مقدار اکسیژنی که آن‌ها در طول روزهایی با طول مختلف تولید می‌کردند، اندازه‌گیری کرد. روزهای با طول متفاوت با استفاده از لامپ‌های هالوژن شبیه‌سازی شد. نتایج نشان می‌داد هرچه مواجهه با نور بیشتر باشد، تشک‌های میکروبی گاز بیشتری منتشر می‌کنند.
کلات و آرجون چنو، مدل‌سازی از مرکز تحقیقات دریایی گرمسیری لیبنیز، مدل عددی را برای محاسبه مقدار اکسیژنی که سیانوباکترهای باستانی می‌توانسته‌اند در مقیاس جهانی تولید کنند، ایجاد کردند. هنگامی که نتایج تشک‌های میکروبی و داده‌های دیگر به برنامه‌ی کامپیوتری داده شد، مشخص شد تعاملی کلیدی میان مواجهه با نور و تشک‌های میکروبی وجود دارد.
به‌طور معمول، تشک‌های میکروبی هنگام شب تقریباً همان اندازه اکسیژنی که در روز تولید می‌کنند، مصرف می‌کنند؛ اما با کند شدن چرخش زمین، افزایش ساعات روز به تشک‌های شبیه‌سازی‌شده اجازه داد اکسیژن اضافه تولید و آن را وارد آب کنند. درنتیجه، اکسیژن اتمسفری در طول زمان از طول روز پیروی کرد و به‌صورت پلکانی افزایش یافت.
آیا روزهای طولانیتر موجب افزایش اکسیژن شد؟
مدل‌ها نشان می‌دهد مقدار اکسیژن روی زمین به شکل مرحله‌ای افزایش پیدا کرده و با رویداد بزرگ اکسیژنی (GOE) حدود ۲٫۴ میلیارد سال پیش شروع شده و سپس به مدت یک میلیارد سال ثابت باقی مانده است. اکسیژن دوباره در رویداد اکسیژنی پیشین‌زیستی‌نو (NOE) و رویداد اکسایش پالئوزوئیک (POE) افزایش پیدا کرد. طول روز طبق همان الگوی پله‌ای افزایش پیدا کرد و نور اضافه موجب افزایش فتوسنتز میکروب‌ها شد و به افزایش اکسیژن کمک کرد.
تیموتی لیونز، متخصص زیست‌زمین‌شیمی از دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید، می‌گوید ایده‌ی جدید به توضیح این امر کمک می‌کند که چرا اکسیژن به محض ظهور سیانوباکترها در حدود ۳٫۵ میلیارد سال پیش در اتمسفر تجمع پیدا نکرد. از آنجا که طول روز در آن زمان هنوز بسیار کوتاه بود، اکسیژن موجود در تشک‌های میکروبی هرگز این فرصت را به دست نمی‌آورد که به اندازه‌ی کافی تجمع پیدا کند و در محیط اطراف منتشر شود. لیونز می‌گوید: «روزهای طولانی موجب شد اکسیژن بیشتری به لایه‌های فوقانی آب و درنهایت به اتمسفر برسد.»
اما لیونز و دیگران می‌گویند احتمالاً عوامل بسیاری در افزایش اکسیژن نقش داشته‌اند. برای مثال، فیشر حدس می‌زند سیانوباکترهای آزاد و نه‌فقط سیانوباکترهایی که به بسترهای سنگی چسبیده بودند، نقش بزرگی داشتند.
بنیامین میلز، مدل‌ساز سیستم زمین در دانشگاه لیدز، فکر می‌کند انتشار مواد معدنی متصل‌شونده به اکسیژن توسط آتشفشان‌های باستانی احتمالاً تجمع اولیه این گاز را در آن زمان‌ها خنثی کرده است و باید در محاسبات اکسیژن لحاظ شود. البته به گفته‌ی او، تغییر طول روز موضوعی است که باید به‌طور دقیق‌تر بررسی شود و او آن را به مدل‌های سیستم زمین خود اضافه خواهد کرد.